Termodinamica 2 lei - Apostila (exercicios)

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MODELAGEM E SIMULAÇÃO DO MUNDO
FÍSICO-QUÍMICO
PROF. ME. ADRIANO RODRIGUES
→ TERMODINÂMICA – 2ª LEI
Termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre calor, temperatura, trabalho e
energia. Abrange o comportamento geral dos sistemas físicos em condições de equilíbrio ou
próximas dele. Qualquer sistema físico, seja ele capaz ou não de trocar energia e matéria com o
ambiente, tenderá a atingir um estado de equilíbrio, que pode ser descrito pela especificação de suas
propriedades, como pressão, temperatura ou composição química. Se as limitações externas são
alteradas (por exemplo, se o sistema passa a poder se expandir), então essas propriedades se
modificam. A termodinâmica tenta descrever matematicamente essas mudanças e prever as
condições de equilíbrio do sistema.
A área se dedica à análise de Princípios e de leis que projetam e preveem comportamento das
diversas Máquinas Térmicas. Trata-se de dispositivos de fundamental importância, uma vez que
fazem uso do calor para aplicar forças e, então, realizar deslocamentos. Dessa forma, é importante
que a Termodinâmica empreenda estudos sobre as conexões entre pressão, calor, volume,
temperatura, entre outras grandezas, e todo e qualquer trabalho realizado por esses corpos ou
máquinas. O estudo desse tipo de propriedades, não é apenas algo que se relacione à uma teoria
distante da realidade; é, de fato, um tema que só tem a contribuir para aspectos como o aumento da
produção e da distribuição de itens alimentícios e de bens de consumo em geral, uma vez que visa a
produção de motores e máquinas de maior eficiência, como ocorre com: Motores a diesel que são
usados em tratores – que aram a terra , nas lavouras – ou caminhões –que fazem todo o transporte
de alimentos e de produtos em geral, etc.
Máquina Térmica
● Conversão de calor em trabalho.
● Não é possível retirar o calor de uma única fonte e convertê-lo completamente em trabalho.
● A máquina opera em um ciclo entre duas fontes térmicas, uma quente e outra fria: retira
calor da fonte quente (Q1), converte-o em trabalho (T) e o restante (Q2) é rejeitado para
fonte fria.
Ciclo de Carnot
● Carnot idealizou ou ciclo que proporcionaria o rendimento máximo a uma máquina térmica.
● Duas transformações adiabáticas alternadas com duas transformações isotérmicas, todas elas
reversíveis.
● Ciclo percorrido no sentido horário: T > 0; T = Área do ciclo.
● As quantidades de calor trocadas com as fontes quente e fria da máquina térmica são
proporcionais às respectivas temperaturas das fontes.
● O rendimento no ciclo de Carnot é função exclusiva das temperaturas absolutas das fontes
quente e fria, não dependendo da substância “trabalhante” utilizada.
● Não é possível alcançar rendimento 100%, pois a temperatura deveria ser o zero absoluto, que é
impossível de se adquirir na prática.
Exemplos:
1. Sobre um sistema, realiza-se um trabalho de 3000 J e, em resposta, ele fornece 1000cal de calor
durante o mesmo intervalo de tempo. Qual a variação de energia interna do sistema, durante esse
processo? (considere 1,0 cal = 4,2 J) 
1
http://apostilado.blogspot.com/2008/08/termodinmica.html
2. Um ciclo de Carnot trabalha entre duas fontes térmicas: uma quente em temperatura de 227ºC e
uma fria em temperatura – 73ºC. Determine o rendimento desta máquina, em percentual.
3. Certa massa de um gás ideal sofre as transformações ABCDA representadas na figura abaixo.
a) Qual a variação da energia interna sofrida pelo gás?
b) Qual o trabalho realizado?
c) Qual a quantidade de calor em recebida pelo gás?
4. Um motor térmico recebe 4 200 J de uma fonte quente mantida a 500 K e transfere parte
dessa energia para o meio ambiente a 300 K. Determine: (a) A quantidade de calor rejeitada para a
fonte fria; (b) O trabalho realizado pelo motor; (c) O rendimento do motor.
Exercícios:
1. Certa massa de um gás ideal sofre as transformações ABCDA representadas na figura abaixo.
a) Qual a variação da energia interna sofrida pelo gás?
b) Qual o trabalho realizado?
c) Qual a quantidade de calor em recebida pelo gás?
2. Uma máquina térmica opera segundo o ciclo de Carnot entre as temperaturas de 500 K e 300
K, recebendo 2 000 J de calor da fonte quente. Determine: (a) O calor rejeitado para a fonte fria; (b)
O trabalho realizado pela máquina, em joules; (c) O rendimento da máquina. 
3. Um inventor afirma que construiu uma máquina que extrai 5 900 J de uma fonte à temperatura de
600K. (a) Qual a quantidade de calor rejeitada para a fonte fria se sua temperatura é de 300 K? (b)
Qual o trabalho realizado pela máquina? (c) Qual é o rendimento dessa máquina?
4. Um gás perfeito descreve o ciclo ABCDA como indica a figura abaixo.
(a) Qual a variação da energia interna sofrida pelo gás?
(b) Qual o trabalho realizado?
(c) Qual a quantidade de calor em recebida pelo gás?
5. Numa expansão isotérmica, o trabalho realizado pelo o gás é 1 000 J. Determine: (a) a variação
da energia interna; (b) o calor recebido pelo gás no processo.
6. Uma bexiga vazia sofre uma variação de volume de 2.10-3 m3 para 4.10-3 m3. Determine o
trabalho realizado pelo ar para encher essa bexiga, à temperatura ambiente, em um lugar onde a
pressão atmosférica vale 1.105 N/m2.
7. Um gás em uma câmara fechada passa pelo ciclo termodinâmico representado no diagrama p x V
da figura ao lado.
a) Qual a variação da energia interna sofrida pelo gás?
2
b) Qual o trabalho realizado em um ciclo?
c) Qual a quantidade de calor em recebida pelo gás?
8. O esquema simplificado abaixo representa um motor térmico. Considere o calor absorvido do
reservatório quente Q1 = 4.104 J a cada segundo e o rendimento desse motor igual a 40% do
rendimento de um motor de CARNOT, operando entre os mesmos reservatórios T1 e T2.
Determine a potência do referido motor.
9. Em cada caso determine calcule o trabalho e diga se este foi realizado ou recebido pelo sistema.
Justifique.
10. O esquema a seguir representa trocas de calor e
realização de trabalho em uma máquina térmica.
Considerando os dados indicados no esquema, se essa
máquina operasse segundo um ciclo de Carnot, determine:
a) o rendimento dessa máquina;
b) a temperatura T1 da fonte quente;
c) a quantidade de calor Q2 da fonte fria.
3
Trabalho em um
Sistema
ou
Primeiro Princípio
Ou
Segundo Princípio
ou
Rendimento:
τ
𝑄
1
𝑜𝑢
1 −
𝑄
2
𝑄
1
𝑜𝑢
1 −
𝑇
2
𝑇
1
4
5